1. INTRODUCCION Y CONCEPTOS BÁSICOS

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1. INTRODUCCION Y CONCEPTOS BÁSICOS
Nov- 05
Nov- 05
TRANSMISORES EN COMUNICACIONES ÓPTICAS
Transmisores
Transmisores
1. INTRODUCCION Y CONCEPTOS BÁSICOS
9 Transmisores en Comunicaciones Opticas
V
9 Interacción radiación materia en niveles
atómicos
¾
¾
9 Conceptos básicos de semiconductores
9 Interacción radiación-materia en
semiconductores
¾
9 Unión p-n, doble heterounión
9 Materiales para emisores ópticos
1
V (t)
Transmisores: conversores electro-ópticos
Tipos:
• Light Emitting Diode (LED)
• Laser Diode (LD)
Requisitos ideales (dependiendo de aplicación):
• Alta potencia en la fibra
• Alta velocidad de conmutación
• Espectro de emisión estrecho; longitud de onda
estable
• Conversión E/O: lineal (analógicos), sin ruido
• Baja dependencia con la temperatura
• Otras características: tamaño, precio, fiabilidad....
CIRCUITO DE
ATAQUE Y
POLARIZACIÓN
F. O.
LED
o
LD
P (t)
2
IEM
IEM
El papel del transmisor en un sistema de Comunicaciones Ópticas es la
conversión de la señal eléctrica de entrada en su correspondiente señal óptica y
acoplarla a la fibra óptica que sirve como medio de transmisión.
El componente principal del transmisor es el emisor o fuente óptica. Los dos
tipos de dispositivos habitualmente empleados como emisores son el Diodo
Emisor de Luz (LED) y el Diodo Láser (LD), también conocido como Láser de
Semiconductor o Láser de Inyección.
El transmisor óptico puede incluir adicionalmente al emisor otros
componentes, tales como los circuitos electrónicos de ataque y polarización
(driver), un fotodiodo de control de potencia, un sistema de control de
temperatura, y la óptica necesaria para realizar el acoplo a fibra.
Las características más importantes del transmisor desde el punto de vista
de su aplicación a un sistema son la potencia óptica que es capaz de acoplar a
fibra, su velocidad de conmutación y su anchura espectral.
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2
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Coeficientes de Einstein
Nov- 05
Transmisores
Radiación del Cuerpo Negro
Transmisores
E2
E1
ABSORCIÓN
EMISIÓN ESPONTÁNEA
EMISIÓN ESTIMULADA
dN1/dt = -B12 · N1 · U(Q) + A21 · N2 + B21 · N2 · U(Q) = - dN2/dt = 0
N2/N1 = exp [- (E2 - E1) /kT] = exp (-hQ/kT)
U(Q) = A21 / [ B12 · (N1/ N2) - B21] = A21 / [ B12 · exp (hQ/kT) - B21]
U(Q) = (8·3·h·Q3/c3) / [ exp (hQ/kT) - 1]
B12 = B21
Ley del cuerpo negro
A21/ B12 = (8·3·h·Q3/c3)
4
IEM
3
IEM
La densidad de energía emitida por un cuerpo negro en equilibrio a una
temperatura T viene dada por la ley del cuerpo negro, propuesta por Plank al
considerar la existencia de cuantos o unidades discretas de energía.
Existen tres tipos de procesos de interacción entre la radiación y la materia:
absorción, emisión espontánea y emisión estimulada.
Al identificar términos de la ley del cuerpo negro con la densidad de energía en
equilibrio con la materia, se obtienen relaciones entre los coeficientes de
Einstein. A partir de estas relaciones se deduce que en equilibrio la emisión
espontánea predomina frente a la estimulada, y que las tasas de absorción y de
emisión estimulada tienen el mismo coeficiente de proporcionalidad.
La figura ilustra los tres procesos en el caso de niveles atómicos, tomando como
referencia dos niveles atómicos de energías E1 y E2.
(a)Absorción: un electrón en el nivel E1 absorbe un fotón de energía (E2 - E1) y
pasa al nivel E2.
(b)Emisión espontánea: un átomo en el nivel E2 pasa al nivel E1 emitiendo un
fotón de energía (E2 - E1).
(c)Emisión estimulada: un fotón, de energía (E2 - E1), estimula una transición de
un átomo del nivel E2 al nivel E1, generándose un segundo fotón idéntico al
primero en todas sus propiedades (frecuencia, fase, dirección, polarización...).
Las probabilidades de transición de cada uno de estos procesos pueden
formularse considerando las constantes de proporcionalidad de Einstein B12 para
procesos de absorción, B21 para procesos de emisión estimulada y A21 para
procesos de emisión espontánea. Se considera que el número de átomos en el
nivel energético E1 es N1 y en el nivel E2 es N2 y que la densidad de energía de
radiación a la frecuencia Q tal que hQ = E2 - E1 es U(Q).
En equilibrio la relación entre N1 y N2 vendrá dada por la función de Boltzmann,
con lo que es posible obtener U(Q) en función de B12, B21, A21 y hQ.
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4
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Inversión de población
Nov- 05
Ganancia
Transmisores
Transmisores
x Absorción D (cm-1)
g>0
x Ganancia g = - D
x I (x) = I0 exp (-D x)
o I0
g > 0 Ÿ Amplificación
g<0
g < 0 Ÿ Atenuación
x
MEDIO
g = 0 Ÿ Transparencia
Inversión de población:
dN2/dt = B21 · U(Q) · (N2 - N1) - A21 · N2
N2 > N1 Î g > 0
6
IEM
5
IEM
Cuando un haz óptico recorre un medio, puede ser amplificado, atenuado o no
afectado, en función del valor del coeficiente de ganancia (absorción) a la longitud de onda
de la radiación. En general, la variación de la intensidad óptica I en un diferencial de
longitud dz será proporcional a la intensidad y al coeficiente de ganancia:
La tasa de emisión estimulada neta será proporcional a la diferencia (N2 - N1). Si el
material está en equilibrio, N1 > N2, con lo que predominará la absorción sobre la
emisión estimulada. Por el contrario, si se saca el material de equilibrio mediante un
bombeo que lleve átomos del nivel E1 al nivel E2, se podrá alcanzar la denominada
inversión de población (N2 > N1), con lo que la emisión estimulada predominará frente a
la absorción.
dI = g I dz
La integración de esta ecuación diferencial nos dará el típico crecimiento exponencial
si la ganancia es positiva, o decrecimiento exponencial si la ganancia es negativa (o
coeficiente de absorción D positivo)
El coeficiente de ganancia es proporcional a la tasa de emisión estimulada neta, y
por lo tanto a la diferencia (N2 - N1). Ello indica que en equilibrio, predominará la
absorción, o el material será transparente (g = 0) si no existe ninguna transición a la
energía del fotón considerado. En cambio, si se aporta energía al medio de la forma
adecuada (bombeo), y se consigue la condición de inversión de población, el material
presentará ganancia óptica positiva, siendo capaz de amplificar la radiación.
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6
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NIVELES ENERGÉTICOS Y BANDAS DE ENERGÍA
Nov- 05
BANDAS EN SEMICONDUCTORES
Transmisores
Transmisores
METAL
Banda de conducción
Banda de
Conducción
EC0
EG
EV0
Banda de valencia
EC = EC0 + (h k)2 /2mC
SEMICONDUCTOR
Banda de conducción
Energía
E2
Gap de Energía
Banda de valencia
E1
EC0
EG
EV0
Banda de
Valencia
EV = EV0 - (h k)2 /2mV
AISLANTE
Banda de conducción
ATOMO
SÓLIDO
k= 0
Gap de Energía
Vector de onda k
Banda de valencia
7
8
IEM
IEM
Es bien sabido que los electrones en los átomos están caracterizados por
niveles discretos de energía. En el caso de los sólidos, la próximidad de los
átomos da lugar a un desdoblamiento de los niveles energéticos en un conjunto
de valores discretos próximos entre sí, que aproximamos por un continuo de
energías que denominamos bandas.
Los diagramas de dispersión, de bandas, o E-k, relacionan el vector de onda
k con la energía en los estados energéticos de las bandas. Son consecuencia de
la consideración de los electrones como onda en un sólido cristalino, lo que
implica unos ciertos valores posibles de su vector de onda k y de su
correspondiente energía.
La banda de energías más altas se denomina banda de conducción (BC) y
la siguiente, de energías menores, banda de valencia (BV). La diferencia de
energía entre el mínimo de la BC y el máximo de la BV es el gap de energía
(zanja, salto).
En los valores de mínima energía de la BC, la relación entre la energía de
los estados electrónicos y su vector de onda es aproximadamente cuadrática. El
valor de la masa efectiva de los electrones en la masa de conducción mC
representa el efecto de la red atómica del sólido sobre el movimiento de dichos
electrones en comparación con un electrón libre.
Los diferentes tipos de sólidos cristalinos pueden caracterizarse por la
disposición de las bandas de energía, y su nivel de llenado de electrones. Los
metales tienen la última banda parcialmente llena de electrones; los
semiconductores y aislantes tienen gap de energía, con la BV llena de electrones
y la BC vacía. Si el gap toma valores entre 0,1 y 2,5 eV nos referimos a materiales
semiconductores, y con gaps mayores hablamos de aislantes, aunque las
fronteras no están definidas y también depende de otras propiedades de los
materiales.
En la banda de valencia la relación E-k da lugar a una masa efectiva de los
electrones mV negativa, lo que significa que el movimiento del conjunto de
electrones de esa manda es equivalente al de una partícula con carga positiva y
masa mV, que denominamos hueco.
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8
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OCUPACIÓN DE LAS BANDAS: EQUILIBRIO
EFN - EFP > 0
EFN
EF
EFP
Vector de onda k
Vector de onda k
Vector de onda k
Transmisores
BOMBEO (Inyección)
Energía
EF
Energía
Energía
Energía
EF
OCUPACIÓN DE LAS BANDAS: FUERA DE EQUILIBRIO
Transmisores
Dopado n
Intrínseco: T > 0
Intrínseco: T = 0
Nov- 05
Vector de onda k
f(EC) = ^1 + exp[(EC - EFN)/kT]`-1
f(EV) = ^1 + exp[(EV - EFP)/kT]`-1
f(E) = ^1 + exp[(E - EF)/kT]`-1
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10
IEM
IEM
La probabilidad de que un estado electrónico en una banda esté ocupado o
no por un electrón viene dada por la función estadísticas de Fermi-Dirac, y
depende de la distancia entre la energía del estado y la energía de Fermi EF del
semiconductor.
En un semiconductor en equilibrio, la probabilidad de encontrar un electrón
en la BV es siempre mayor que la de encontrarlo en la BC. Cuando se saca al
semiconductor de equilibrio, por bombeo óptico o inyección de portadores, se
vacían de electrones los estados en la BV, que queda poblada por huecos, y se
añaden electrones a la BC. Es decir se quitan electrones de baja energía y se
añaden electrones de alta energía.
Los semiconductores intrínsecos son aquellos que no tienen, en número
significativo, átomos de impurezas o defectos de la red cristalina. En ellos, a la
temperatura de 0 K, todos los estados de la banda de valencia están ocupados
por electrones, y todos lo de la banda de conducción están vacíos. A una
temperatura superior la energía térmica provocará que algunos electrones de la
BV pasen a la BC, dejando huecos en la BV. El número de electrones y huecos,
denominado concentración intrínseca, es muy bajo comparado con el número de
estados.
Las probabilidades de ocupación vienen dadas ahora por los quasiniveles de
Fermi en las bandas de conducción y valencia (EFN y EFP, respectivamente). El
nivel de inyección, o bombeo, viene dado por la diferencia de quaisiniveles.
Al dopar un semiconductor se le añaden átomos de impurezas, que pueden
ser donadoras, si añaden electrones a la BC, o aceptadoras, si toman un electrón
de la BV, liberando un hueco.
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INTERACCIÓN RADIACIÓN-MATERIA: Semiconductor
Nov- 05
ESPECTROS DE GANANCIA Y EMISIÓN ESPONTÁNEA
Transmisores
8
4000
hQ
EV
1000
0
-3
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
-1000
O rigin60 D em o
-2000
O rigin60 D em o
-3000
k=0
(a)
ABSORCIÓN
k
k=0
(b)
EM. ESPONTÁNEA
k
k=0
k
-4000
0,65
(c)
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
7
Recombinación Espontánea
28
-1
-3 -1
(10 eV cm s )
hQ
O rigin60 D em o
0,70
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
c m -3
hQ
9x
1
1 1 0 19
0 18 0 8
cm
hQ
hQ
AlGaAs SQW
O rigin60 D em o
0,75
6
-3D e m o
5
4
18
7 x 10
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
6 x 10
5 x 10
0,85
4 x 10
18
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
3 x 10
0,70
O rigin60 D em o
18
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
18
2 x 10
10
0,80
O rigin60 D em o
18
3
0
0,65
AlGaAs SQW
O rigin60 D em o
18
O rigin60 D em o
2
O rigin60 D em o
18
O rigin60 D em o
8 x 10
Longitud de Onda (µm )
EM. ESTIMULADA
19
O rigin60
10
cm
9 x 10
O rigin60 D em o
1
1 0 18
Eg
2000
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
O rigin60 D em o
8x1
EC
O rigin60 D em o
3000
7 x 1 18
0
6 x 1 18
5 x 1 180
0
4 x 1 18
0
3 x 1 18
0
2 x 1 18
0
-1
Ganancia del M aterial (cm )
O rigin60 D em o
E
Transmisores
18
O rigin60 D em o
18
0,75
0,80
0,85
Longitud de O nda (µm)
Semiconductor con ganancia positiva (inversión de población):
(EFN - EFP) > hQ > EG
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IEM
IEM
La figura ilustra los tres procesos anteriores en el caso de un material
semiconductor. Las transiciones de un banda a otra deben realizarse sin variación
del vector de onda k de los electrones y conservando la energía total.
La Figura de la izquierda presenta el espectro calculado de ganancia para
un semiconductor (en concreto una estructura de pozo cuántico de AlGaAs), en
función de la densidad de portadores inyectados.
(a)Absorción: un electrón de la BV absorbe un fotón y pasa a la BC,
generándose un par electrón-hueco. Este proceso es el fundamento de los
fotodetectores
A baja densidad de portadores el semiconductor es absorbente a longitudes
de onda menores que la correspondiente al “gap” y transparente a longitudes de
onda mayores. Cuando se va aumentando la inyección aparece un rango de
longitudes de onda en el que el semiconductor presenta ganancia positiva. El
ancho de este rango es típicamente 20-50 nm.
(b)Emisión espontánea: un electrón de la BC pasa a la BV (recombinación
electrón hueco), emitiendo espontáneamente un fotón. Es la base de
funcionamiento de los LEDs
(c) Emisión estimulada: un fotón atravesando el material estimula una
recombinación electrón-hueco, generándose un segundo fotón idéntico al primero.
Es el fundamento de los láseres y amplificadores ópticos.
Puede demostrarse fácilmente que para que un semiconductor presente
ganancia positiva para una energía de fotón hQ es necesario que la probabilidad
de encontrar a un electrón en el nivel energético de la BC involucrado en la
transición ha de ser mayor que la de encontrar a un electrón en el nivel de la BV.
Ello implica que la separación de los cuasiniveles de Fermi ha de ser mayor que la
energía del fotón.
La figura de la derecha muestra el espectro calculado de emisión
espontánea para el mismo material en función de la densidad de portadores. Este
espectro es equivalente al espectro de emisión de un LED fabricado con este
material en la zona activa. Su anchura a mitad es típicamente entre 30 y 150 nm,
dependiendo de la longitud de onda y el nivel de inyección.
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Nov- 05
UNIÓN p-n
Nov- 05
MATERIALES para EMISORES OPTICOS
Transmisores
Transmisores
9 Gap indirecto (Si, Ge): No eficientes
• Transiciones con intervención de
un fonón
Vj
9 Gap directo (III-V, II-VI): eficientes
EC
qVj
Efh
p-material
junction
Electron Energy
• Transiciones directas
9 Materiales típicos (C.O.):
Efe
• GaAs/AlGaAs: 780-850 nm
EV
• InGaAsP/ InP: 1300-1600 nm
n-material
13
14
IEM
IEM
Existen dos tipos de materiales semiconductores: semiconductores de “gap”
directo y semiconductores de “gap” indirecto. En los primeros el mínimo de la BC
corresponde al mismo valor del vector de onda que el máximo de la BV. Ello
favorece transiciones directas de una banda a otra y posibilita el uso de estos
materiales en emisores ópticos.
La forma convencional de bombear el semiconductor para que esté en
condiciones de no-equilibrio y pueda proporcionar ganancia y/o emisión
espontánea es mediante el clásico diodo de unión p-n. Tanto los LEDs como los
LDs están basados en un diodo de unión p-n.
En los semiconductores de “gap” indirecto el mínimo de la BC se encuentra
a un valor del vector de onda diferente del máximo de la BV. Por ello no se
pueden realizar transiciones directas de una banda a otra sin la intervención de
otra partícula que iguale la variación del vector de onda entre el estado inicial y
final. Esta otra partícula es habitualmente un fonón (cuanto de vibración de la red).
La necesidad de intervención de otra partícula hace menos probables las
transiciones radiativas en este tipo de materiales.
En una unión p-n en polarización directa se inyectan electrones de la zona n
hacia la p, y huecos de la p hacia la n. En la zona cercana a la unión se produce
una alta recombinación de electrones y huecos ya que se establecen altas
densidades de ambos. En esta zona la diferencia entre los niveles de Fermi de
electrones y huecos es aproximadamente el voltaje externo aplicado.
Desde un punto de vista eléctrico la unión p-n es un diodo, permitiendo el
paso de la corriente con una caída de tensión casi constante al estar polarizado
en directa, y no permitiendo el paso de corriente en inversa.
Los semiconductores del grupo IV (Silicio, germanio...) tienen “gap” indirecto
y por ello no pueden emplearse como emisores.
Casi todos los semiconductores del grupo III-V y II-VI tienen gap directo:
aquellos cuya tecnología está suficientemente desarrollada pueden emplearse
como emisores. Entre ellos destaca la aleación AlGaAs sobre sustrato de GaAs,
utilizada para dispositivos que emiten entre 780 y 850 nm, y la aleación
InGaAs(P), sobre sustrato de InP, empleada para emisores de 2ª y 3ª ventana.
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Nov- 05
4.2 LED
Nov- 05
LED: Principios de funcionamiento
Transmisores
9 Principios de funcionamiento
x
9 Característica Potencia-Corriente
x
x
x
Vj
9 Estructuras LED
Transmisores
Estructura basica: diodo p-n en
material de gap directo
Basado en emisión espontánea
Característica P-I: aprox. Lineal
Baja eficiencia de conversión (2-3 %)
9 Espectros de emisión
9 Propiedades dinámicas
9 Diagramas de radiación
Pout
15
Kextrac Pin
§ hX ·
¸¸ I
© q ¹
KextKin ¨¨
§ hX ·
¸¸ I
© q ¹
Ke ¨¨
16
IEM
IEM
Un emisor LED es básicamente un diodo de unión p-n fabricado sobre un
semiconductor de “gap” directo y diseñado para facilitar al máximo la extracción al
exterior de la emisión espontánea.
La relación entre la potencia óptica emitida Pout y la corriente inyectada I es
aproximadamente lineal, salvo a muy altas corrientes en las que la emisión
disminuye debido al autocalentamiento. Se define como eficiencia cuántica
externa Ke la relación entre el número de fotones extraídos y el numero de
electrones inyectados. Salvo en algunas estructuras recientes, con valores de
hasta el 22%, el valor típico de Ke es bajo (1-3%), debido a las dificultades en la
extracción de los fotones espontáneamente emitidos.
La emisión espontánea del LED es incoherente, es decir, los fotones
emitidos no tienen correlación entre sí. La frecuencia, polarizacción, dirección, y
fase de cada uno de ellos es independiente de los demás.
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16
Nov- 05
CARACTERÍSTICA POTENCIA-CORRIENTE (P-I)
Nov- 05
Transmisores
Transmisores
ESTRUCTURAS LED
60
ºC
-15
25 ºC
40
multimode
optical fiber
Output power (PW)
50
65 ºC
30
20
n-GaAs
substrate
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
epoxy
adhesive
metal
etched contact
well
n-AlGaAs
p-GaAs
p-AlGaAs
SiO2
metal
contact
90
Current (mA)
metal contact
insulation layer
(SiO2)
+
p -GaAs
p-AlGaAs
p-GaAs
n-AlGaAs
output
light
GaAs-substrate
metal contact
light emitting region
• P-I lineal (casi)
• Baja pendiente (típica 10-4 W/A en fibra)
• Poca dependencia con temperatura
LED EMISIÓN
SUPERFICIAL
(SLED)
17
LED EMISIÓN LATERAL
(ELED)
18
IEM
IEM
Existen muchas estructuras LED, dos de las cuales están representadas en
las figuras.
Puede observarse que la relación P-I en el LED es casi lineal con una cierta
saturación causada por efectos de autocalentamiento. La potencia máxima
acoplada a fibra MM es baja, siendo su valor típico -10 a 15 dBm. La dependencia
de la potencia con la temperatura ambiente es pequeña.
La de la izquierda corresponde a un LED de emisión superficial (“surface
emitting LED”, SLED), también llamado tipo Burrus, muy empleado en
comunicaciones ópticas desde hace años. La estructura de capas corresponde a
una unión p-n cuya zona activa es GaAs. Las capas epitaxiales se sueldan con la
parte superior (p) hacia abajo sobre un sumidero de calor con el fin de facilitar la
disipación. En el substrato se realiza un agujero mediante ataque químico hasta
acercarse a la zona activa, en el que se coloca una fibra MM, buscando que la
mayor parte de la luz emitida se acople a la fibra.
La estructura de la derecha corresponde a un LED de emisión lateral (“edge
emitting LED”, ELED). En este caso la extracción de la luz y acoplo a la fibra se
realiza por un lateral de la estructura de capas. El diseño de la estructura, al igual
que en un LD, da lugar a un fenómeno de guiado óptico en la dirección de
inyección de corriente, que aumenta la emisión en las caras laterales.
17
18
Nov- 05
ESPECTRO DE EMISIÓN
Nov- 05
Transmisores
Transmisores
DIAGRAMA DE RADIACIÓN (LED)
LED
Campo lejano (u.a.)
Power Intensity (a.u.)
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
1100
1
120 º
0
-90
1200
1300
1400
-60
1500
-30
0
30
60
90
ángulo (º)
Wavelength (nm)
LED: lambertiano
• Valores típicos: 'O (FWHM) entre 30 y 150 nm
• Aproximadamente: 'O ~ 1,45 (kT) O2
[O expresado en µm y (kT) en eV]
4 | º (FWHM)
19
20
IEM
IEM
En las figuras se ha representado el espectro de emisión típico de un LED. Su
espectro es habitualmente asimétrico y con un único lóbulo, de ancho a mitad de
altura 'O entre 30 y 150 nm. Es tanto más ancho cuanto mayor es la longitud de
onda de emisión.
Los diagramas o patrones de radiación de un LED son muy anchos y siguen una
ley “lambertiana” debido a la naturaleza incoherente de la radiación. Ello da lugar
a un ancho teórico a mitad de altura de 120°. En la práctica el ancho es algo
menor, y en el caso de los ELED es mucho más estrecho (hasta 30°) en la
dirección perpendicular al plano de la unión.
Este diagrama dificulta el acoplo a fibra de la radiación.
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20
Nov- 05
RESPUESTA DINÁMICA
Nov- 05
Transmisores
3. Diodo Láser
Transmisores
P
90 %
Š Idea general de Láser
Š Láser de semiconductor
Š Condición umbral
Š Potencia-corriente
Š Estructuras de guiado lateral
ŠPatrones de emisión
ŠLáser de pozo cuántico
ŠLáser FP: Espectro
ŠLáser monofrecuencia
ŠLáseres sintonizables:
Š VCSELs
ŠPropiedades dinámicas:
10 %
t
2.2 Wn
• Filtro paso bajo:
P(Z )
P( 0 )
>
1 ZW tot 2
@
1
• Compromiso potencia-velocidad
2
• Valores típicos: 10 MHz-1 GHz
W rise,fall | 2.2W tot
21
22
IEM
IEM
Al aplicar un escalón de corriente a un LED la potencia óptica aumenta de
acuerdo con una función exponencial similar a la de un circuito RC. El tiempo
característico Wtot corresponde al tiempo de vida de portadores, tomando valores
entre 1 y 10 ns.
La respuesta en frecuencia (modulación en pequeña señal) corresponde a un filtro
paso bajo de polo simple, con ancho de banda (2SWtot)-1. Los valores típicos de
ancho de banda en LEDs de comunicaciones varían entre 10 y 150 MHz,
pudiéndose encontrarse algunos de mayor velocidad. Sin embargo, cuando la
velocidad es mayor la potencia emitida disminuye en comparación con
dispositivos más lentos.
21
22
Nov- 05
CONCEPTO GENERAL DE LÁSER
Nov- 05
LÁSER DE DOBLE HETEROESTRUCTURA
Transmisores
Transmisores
LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
z
BOMBEO
y
9 Energía (bombeo):
óptico o inyección de corriente
MEDIO ACTIVO
g>0
realimentación
Iout
I
metal
contact
optical
mode
refractive
index
energy
bandgap
p-material
holes
I’ > I
I
active
region
electrical
wire
electrons
x
9 Medio con ganancia
(inversión de población)
n-material
'n
VB
9 Realimentación:
cavidad resonante (Fabry-Perot)
CB
cavity width
Ÿ OSCILACIÓN LÁSER
x Confinamiento de portadores (recombinación en la zona
activa)
x Guía-onda en la dirección vertical
23
24
IEM
IEM
La emisión LASER en un medio fue obtenida por primera vez en 1960 en un
cristal de rubí. Desde entonces se ha desarrollado un gran número de tipos
diferentes de láser (gas, estado sólido, semiconductor, colorante, electrones
libres...) con un enorme rango de aplicaciones.
Casi todos los diodos láser (LD) actuales están basados en el láser de doble
heteroestructura. Consiste en un “chip” de semiconductor en el que se ha crecido
una unión p-n sobre un substrato; sus caras han sido talladas (“cleaved”) de forma
que den lugar a espejos de alta calidad debido a la diferencia entre el índice de
refracción del semiconductor y del aire. En la dirección de inyección de corriente
se ha crecido una zona activa de mayor índice de refracción y de menor “gap”
que las zonas adyacentes, denominadas zonas de recubrimiento (“cladding”). Ello
se consigue mediante un adecuado perfil de composición.
En general, un láser es un oscilador a frecuencias ópticas. De la misma
manera que un oscilador electrónico necesita para oscilar un proceso de
amplificación y otro de realimentación positiva, un láser está constituido por un
medio en condiciones de ganancia y una cavidad resonante. El medio debe estar
recibiendo un bombeo, que puede ser óptico o mediante inyección de corriente,
para estar fuera de equilibrio y ser capaz de amplificar. La realimentación se
consigue típicamente por medio de una cavidad Fabry-Perot, consistente en dos
espejos semitransparentes separados una distancia L. La luz confinada en el
interior de la cavidad sufre un proceso de ganancia al propagarse que compensa
las pérdidas debidas a las reflexiones en los espejos. Aquellas frecuencias ópticas
que tras propagarse por la cavidad y reflejarse en ambos espejos mantengan su
fase sin cambios, serán las posibles frecuencias de oscilación del sistema.
Dicho perfil de composición da lugar a dos fenómenos imprescindibles para
obtener emisión láser en forma eficiente:
- Confinamiento de portadores: que son acumulados y forzados a
recombinarse en la región activa, de menor “gap”.
- Confinamiento óptico: el perfil de índices produce un efecto de guía onda
que confina el campo óptico en la zona activa.
La emisión láser está caracterizada por ser altamente coherente, es decir
por fotones (casi) idénticos en cuanto a frecuencia, polarización y fase.
23
24
Nov- 05
CONDICIÓN UMBRAL
R
(n 1) 2
| 0 .3
(n 1) 2
E ( z, t )
ACTIVE REGION
MODOS LONGITUDINALES
Transmisores
Gain
CURRENT
INJECTION
Nov- 05
A( z )e j (Zt kz )
L
CLEAVED FACETS
R
E2
R
E2 Ÿ R e ( g D in ) L e ( j 2 kL )
MIRRORS
carrier
density
1
Z=L
Wavelength (µm)
1 §1·
MÓDULO : g th D in ln¨ ¸
L ©R¹
FASE :
2kL = 2mS
lasing mode
O
mc
neff 2 L
'Q
c
neff 2 L
Om
'O
25
2Sneff
Qm
0
GAIN MEDIUM
E0
Z=0
E0
k
cavity losses
longitudinal
modes
Condición de oscilación :
Transmisores
neff 2 L
m
O2
neff 2 L
26
IEM
IEM
La condición necesaria para la oscilación láser se denomina condición
umbral. Refleja el hecho de que un campo óptico E0 que se propague por la
cavidad debe permanecer inalterado tras una ida y vuelta completa (“round trip
condition”).
La figura representa el espectro de ganancia y los posibles modos
longitudinales de la cavidad Om. Las pérdidas totales de la cavidad están dadas
por la línea de puntos.
Al aumentar la corriente inyectada la densidad de portadores en la zona
activa aumenta, y por tanto también aumenta la ganancia. Cuando la ganancia
iguala a las pérdidas de la cavidad, comienza la emisión láser en el modo
longitudinal más cercano al máximo de la curva de ganancia. Un aumento
posterior de la corriente ya no aumenta la concentración de portadores, que se
mantiene enganchada en su valor umbral, y por tanto no varía la longitud de onda
de emisión, salvo por efectos de segundo orden.
Esta condición se expresa matemáticamente como E0 = E2, donde E2 es el
campo tras recorrer una distancia 2L en un medio de ganancia neta (g-Din), siendo
la constante de propagación k. g es la ganancia modal y Din es el coeficiente de
pérdidas internas. La reflectividad de los espejos viene dada por R.
La condición umbral puede dividirse en dos partes:
•
Condición en módulo, que indica que la ganancia umbral proporcionada por
el material debe ser igual a las pérdidas totales.
Los posibles modos longitudinales están equiespaciados en frecuencia pero
no en longitud de onda. La distancia entre dos modos en longitud de onda
depende de la longitud de la cavidad, siendo su margen típico entre 0,1 y 0,3 nm
para los láseres habituales.
•
Condición en fase, que indica que la fase de la onda tras una ida y vuelta en
la cavidad debe ser un múltiplo entero de 2S.
Esta última condición define las frecuencias propias de oscilación de la
cavidad, denominadas modos longitudinales.
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26
Nov- 05
Nov- 05
CARACTERÍSTICA POTENCIA-CORRIENTE (P-I)
RELACIÓN POTENCIA-PORTADORES-CORRIENTE
Transmisores
Transmisores
1.6
n
Output power (mW)
nth
I I th
ª n º
qVact « »
¬W tot ¼
S 0; Popt 0
I
I ! I th
I
1.0
15 ºC
25 ºC
35 ºC
45 ºC
0.8
55 ºC
1.4
1.2
0.6
0.4
0.2
0.0
I
P
0
5
10
15
20
25
Current (mA)
I th g 0 (nth n0 ) S
Kslope
P K slope ( I I th )
• P-I con umbral (típica 10 mA)
• Alta pendiente (típica 0.1-0.5 W/A; en fibra menor)
• Alta potencia (típica 0-10 dBm); ruptura por exceso de potencia
• Alta dependencia con temperatura
K slope : Slope Efficiency (W/A)
Ith
I
28
27
IEM
IEM
Al aumentar la corriente inyectada al láser por debajo de umbral, la densidad
de portadores en la zona activa n crece casi linealmente con la corriente. Cuando
la densidad de portadores alcanza su valor umbral nth todo nuevo incremento de
corriente es convertido en potencia óptica, y la densidad de portadores queda
“enganchada” a su valor umbral.
En la curva Potencia-Corriente de un LD puede observarse la existencia de un
valor umbral altamente dependiente con la temperatura, según la expresión
empírica:
§T ·
I th I th0 exp¨¨ ¸¸
© T0 ¹
La característica Potencia Óptica-Corriente (P-I) de un LD está caracterizada
por la existencia de una corriente umbral (Ith) a partir de la cual comienza la
emisión láser. Esta corriente es la necesaria para que la densidad de portadores
llegue a nth, y pueda proporcionar la ganancia necesaria para igualar a las
pérdidas. La corriente umbral es proporcional al volumen de la zona activa e
inversamente proporcional al tiempo de vida de los portadores.
donde T0 se denomina temperatura característica y toma valores entre 50 y 150 K.
La dependencia con la temperatura es más acusada en láseres de 2ª y 3ª ventana
que en los de 1ª ventana.
Los LDs acoplan alta potencia en fibra SM, típicamente entre 0 y 10 dBm para
láseres de comunicaciones. La pendiente de la curva P-I es altamente lineal,
hasta su potencia máxima de operación.
A corrientes superiores a Ith la potencia óptica emitida aumenta linealmente
con la corriente. La pendiente de la relación P-I se define como la eficiencia de la
pendiente Kslope, en W/A. Su valor depende de la longitud de onda, de la longitud
de la cavidad y de otras características del dispositivo. Valores típicos se
encuentran entre 0,2 y 1 W/A, considerando la emisión por ambas caras.
27
28
Nov- 05
ESTRUCTURAS LÁSER: GUIADO LATERAL
metal
contac
metal
contac
p-cladding
n-cladding
substrate
oxide
active
p-cladding
n-cladding
substrate
Nov- 05
DIAGRAMA DE RADIACIÓN (LÁSER)
Transmisores
Transmisores
metal
contac
active
oxide
p
a
n
p
n
n
p
blocking
layer
confinement
layer
substrate
Guiado por ganancia:
Fabricación sencilla
Haz inestable
Guiado débil por índice:
Fabricación más compleja
Control de modos laterales
Menor volumen bombeado
campo lejano (u.a.)
1
Guiado fuerte por índice
(estructuras enterradas)
Fabricación muy compleja
Confinamiento óptico y de
portadores
Mínimo volumen bombeado
LD: depende de la estructura
0
-90
-60
-30
0
ángulo (º)
30
60
90
4A | 30-50 °
4«« | 5-15 °
30
29
IEM
IEM
Existen un gran número de estructuras láser desde el punto de vista de su
configuración lateral, es decir en el eje perpendicular a la emisión y a la inyección
de corriente.
El diagrama de radiación de un láser convencional (emisión lateral) es
fuertemente asimétrico, dando lugar a un haz con forma elíptica.
Los láseres guiados por ganancia son los más sencillos de fabricar, y en
ellos su zona activa es definida por la inyección de corriente sin que se produzca
ningún guiado en la dirección lateral. Ello da lugar a un esparcimiento de la
corriente (“spreading”), que no queda confinada, y un haz muy inestable y poco
controlable.
En la dirección perpendicular a la unión es altamente divergente, con anchuras
variables entre 30 y 50°, dependiendo de la estructura interna de capas. En la
dirección paralela a la unión toma valores muy diversos en función de la
estructura lateral y de las dimensiones de la zona activa, pudiendo valer entre 5 y
15°.
Las estructuras con guiado débil por índice, como por ejemplo la estructura
en caballete (“ridge”) representada en la figura, proporcionan una ligera diferencia
de índice efectivo entre la zona bombeada y la zona exterior. Esta diferencia de
índice realiza un guiado lateral y confina el modo en una zona localizada,
proporcionando operación monomodo lateral hasta niveles altos de potencia. Su
proceso de fabricación es más complejo que el anterior.
Las estructuras con guiado fuerte por índice, tales como las estructuras
enterradas (“buried heterostructures”) dan lugar a confinamiento del modo óptico y
de los portadores en la zona activa. Deben ser fabricadas mediante recrecimiento
epitaxial lo que complica su producción. Proporcionan las mejores prestaciones, y
casi todos los láseres de C.O. corresponden a este tipo.
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30
Nov- 05
Nov- 05
ESPECTRO LASER FP: variación con I
LÁSERES DE POZO CUÁNTICO
n-cladding
confinement
EC
Zona activa: 5-20 nm
Confinamiento de e- y h+ en sub-bandas de
energía
Ventajas:
p-cladding
9 Menor volumen + efectos 2D Ÿ
confinement
QW
menor corriente umbral
|\ |
9 Más grados de libertad (long.
onda)
9 Más velocidad
Variación de longitud de onda:
¾ Cada modo neff (I, T)
¾ Saltos:
40 mA
2
35 mA
ei
E ei
30 mA
'Eei-hj
E hj
EV
2
|\hj |
y
Transmisores
Transmisores
9ganancia (T)
9 efectos no lineales
25 mA
20 mA
x Actualmente todos los LD comerciales
son de QW
x Futuro:
o Punto cuántico (QD)?
o Cascada cuántica (QC)?
16 mA
I = 14 mA
O (nm)
32
31
IEM
IEM
A partir de 1980 comenzaron a fabricarse los llamados láseres de pozo
cuántico (“Quantum Well”, QW). En ellos la zona activa corresponde a un material
de “gap” más estrecho que el de las zonas adyacentes (zonas de confinamiento) y
pequeño espesor. El confinamiento de los portadores en el QW da lugar a efectos
de tipo cuántico, apareciendo subbandas de energía y limitando el movimiento de
éstos en la dirección de crecimiento.
En la figura puede observarse la variación del espectro de un láser FP por encima
de umbral al aumentar la corriente inyectada (la escala es lineal).
Este tipo de láseres se ha impuesto en el decenio de los 90, de tal forma
que en la actualidad casi todos los láseres comerciales son de QW. El
confinamiento de los portadores y el menor volumen activo da lugar a una menor
corriente umbral. Además es posible crecer un mayor número de materiales,
aumentando el número de grados de libertad en el diseño y expandiendo el rango
de longitudes de onda disponibles.
Adicionalmente también se aprecia un ligero desplazamiento de cada uno de los
modos a longitud de onda más alta al aumentar la corriente; es debido a la
dependencia con la temperatura del índice de refracción.
Puede apreciarse el fenómeno de salto de modo (“mode hopping”) longitudinal,
debido fundamentalmente al autocalentamiento: al aumentar la temperatura
interna el “gap” del semiconductor se estrecha y el máximo del espectro de
ganancia se traslada a longitudes de onda mayores.
Actualmente se está tendiendo a dos nuevos tipos de estructuras, a nivel
investigación y desarrollo, que probablemente entrarán próximamente en su fase
comercial: los láseres de punto cuántico (“Quantum Dot”), en los que se produce
confinamiento de portadores en las tres direcciones del espacio, y los láseres de
cascada cuántica (“Quantum Cascade”), en los que las transiciones se producen
entre las subbandas de conducción de un pozo cuántico.
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32
Nov- 05
ANCHO DE LINEA
Nov- 05
Transmisores
LÁSERES MONOFRECUENCIA (SINGLE FREQUENCY) (1) Transmisores
¾ Típico (DFB): 1-10 MHz (10 mW)
¾
'X
R spon
1 D2 4S P
D: factor de ensanchamiento de línea
D| 1-5
LÁSER FABRY-PEROT (FP)
SMSR = 3 - 20 dB
¡¡¡¡ Medidas del mismo Láser en
diferentes Laboratorios !!!!
LÁSER MONOFRECUENCIA
SMSR = 30 - 40 dB
Side Mode Supression Ratio (SMSR) = 10 log (P0/Ps)
33
34
IEM
IEM
Se denomina láseres monomodo, o monofrecuencia (“single frequency”), a
aquellos que son capaces de emitir en un único modo longitudinal. Para
comprender su funcionamiento debemos observar primero el espectro de emisión
de un láser convencional de cavidad Fabry-Perot. Puede observarse la aparición
de todo un conjunto de longitudes de onda de emisión.
Se denomina ancho de línea de emisión a la anchura a mitad de altura de cada
uno de los modos longitudinales de láser FP o del único modo de un láser DFB o
DBR.
El ancho de línea está originado por fluctuaciones de la fase provenientes de
diferentes fuentes de ruido, entre la que destaca el ruido de la emisión
espontánea acoplada al modo láser. Su valor es muy diferente en función del
dispositivo concreto y de su modo de operación, y suele expresarse en unidades
de frecuencia, variando entre decenas de KHz y decenas de MHz.
El parámetro que define la importancia relativa de los modos secundarios es
el SMSR (Relación de Supresión de Modos Laterales), siendo su valor típico entre
3 y 20 dB para un láser FP en continua. En conmutación el SMSR se degrada
fuertemente.
El ancho de línea disminuye al aumentar la potencia emitida. Su determinación
experimental no es sencilla, y como ejemplo se adjunta un conjunto de medidas
del ancho de línea del mismo láser DFB realizadas en laboratorios diferentes, en
las que puede observarse una gran dispersión en los resultados.
En general se define como monomodo a aquellos láseres cuya SMSR toma
un valor en continua de 30 o 40 dB. Además su longitud de onda de emisión es
altamente estable frente a variaciones en la corriente de inyección.
El valor típico del ancho de línea garantizado por los fabricantes en DFBs
comerciales es de 1-10 MHz a 10 mW.
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34
Nov- 05
Nov- 05
ESPECTRO LASER DFB: variación con T
Transmisores
LÁSERES MONOFRECUENCIA (SINGLE FREQUENCY) (2) Transmisores
+
+
grating
p-type
p-type
active
region
n-type
DBR
-
DBR
n-type
-
DFB: Distributed Feedback Laser
DBR: Distributed Bragg Reflector
Longitud de onda de Bragg:
/ = m OB / 2 neff
o Seleccionan un único modo
longitudinal de la cavidad
o Tecnología muy compleja
o Alto precio
36
35
IEM
IEM
Existen dos tipos fundamentales de láseres monomodo: los láseres DFB
(realimentación distribuida) y los láseres DBR (reflector de Bragg distribuido).
En la figura puede observarse el desplazamiento de la longitud de onda de
emisión de un láser DFB al aumentar la temperatura, por el mismo motivo que el
comentado anteriormente en un láser FP (variación del índice con la temperatura).
Este fenómeno tiene como aplicación directa la selección de longitud de onda a
partir del control de la temperatura (“temperature tuning”)
En los láseres DFB se define una red de difracción (“grating”) a lo largo de
toda la cavidad mediante una variación del índice de refracción de periodo /. Las
interferencias constructivas entre las ondas que se propagan hacia delante y
hacia atrás en la cavidad dan lugar a que sólo aquellas frecuencias que cumplan
la condición de Bragg puedan ser sostenidas.
En los láseres DBR se sustituye uno o los dos espejos por un reflector de
Bragg que da lugar a un máximo de reflexión a una única frecuencia y un mínimo
cercano a cero a las demás. Ello da lugar a que el único modo que pueda
sostenerse es aquél para el cual se produce la reflexión.
Es importante resaltar que la condición de Bragg depende en ambos casos
del índice de refracción. Por tanto cualquier variación del índice (portadores,
temperatura...) dará lugar a variaciones en la longitud de onda de emisión.
35
36
Nov- 05
LÁSERES SINTONIZABLES
Nov- 05
LÁSERES DE EMISIÓN SUPERFICIAL
Transmisores
Transmisores
Vertical Cavity Surface Emitting
Lasers (VCSELs)
Láser de cavidad externa
o Pequeño volumen: menor
ganancia, menor Ith
o Alta densidad (producción)
o Posibilidad de arrays 2D
o Tecnología compleja
Láser DBR multisección
o Problemas térmicos
o Bajo precio!
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38
IEM
IEM
En los últimos años han aparecido ya en forma comercial los láseres de
Cavidad Vertical y Emisión Superficial (VCSEL). En ellos la emisión tiene lugar en
la dirección perpendicular al substrato y estructura de capas. La cavidad tiene una
longitud muy inferiores a la de los láseres de emisión lateral (1-2 µm en lugar de
500-1000 µm), por lo que es necesario introducir espejos de muy alta reflectividad.
Ello se consigue creciendo DBRs por encima y por debajo de la zona activa.
Existen diferentes modos de fabricar láseres sintonizables, de gran
importancia en algunas aplicaciones tales como sistemas WDM
En los láseres de cavidad externa se aplica un recubrimiento antireflexivo en
una de las caras y la emisión se lleva a una red de difracción. Ésta solo reflejará
una única longitud de onda que definirá el modo de oscilación láser. Girando la
red de difracción es posible sintonizar la longitud de onda deseada.
El área ocupada por cada láser es muy inferior a la de un láser
convencional, lo que abarata el coste de producción y permite la fabricación de
“arrays” bidimensionales. El volumen también es pequeño, por lo que la corriente
umbral es muy baja. Debido al pequeño tamaño de la cavidad, los modos
longitudinales están muy separados en frecuencia, por lo que los VCSELs
presentan funcionamiento monomodo longitudinal.
En los láseres DBR multisección se dispone de una o más zonas adicionales
de bombeo. La variación en la corriente de la sección DBR (I3 en la figura) varía la
densidad de portadores y por tanto el índice efectivo y la longitud de onda de
Bragg. La corriente I2 proporciona un ajuste fino de la longitud de onda de
emisión.
Su mayor problema es el de disipación térmica, que da lugar a un alto
calentamiento y limita la máxima potencia de emisión. Los posibles modos
transversos y el control de la polarización del haz dan lugar también a problemas
en mucha aplicaciones.
El margen de sintonía en estos láseres corresponde al ancho de su espectro
de ganancia, típicamente 50 nm.
Hasta ahora se han fabricado VCSELs emitiendo en longitudes de onda
inferiores a 1 µm, siendo más compleja su fabricación para longitudes de onda
mayores.
37
38
Nov- 05
DIAGRAMA DE RADIACIÓN (VCSEL)
Nov- 05
RESPUESTA DINÁMICA DEL LÁSER (GRAN SEÑAL)
Transmisores
Transmisores
¾ Tiempo de encendido:
¾ 0.2-0.5 ns
¾ Oscilaciones de relajación:
¾ 1-20 GHz
¾
Anchos de banda (f3dB)
> 1 GHz siempre
> 25 GHz posible
39
40
IEM
IEM
Los VCSELs presentan habitualmente problemas en cuanto al control de sus
modos transversos. Debido a su simetría cilíndrica tienden a aparecer modos de
tipo LP, similares a los de la fibra óptica a altos niveles de inyección. En la figura
pueden observarse los patrones de campo cercano de los cuatro primeros modos.
Al aplicar un escalón de corriente a un LD la respuesta es mucho más complicada
que en un LED y puede verse esquematizada en la Figura. Durante un tiempo
inicial, denominado tiempo de encendido, no se emite potencia. Posteriormente la
potencia emitida aumenta muy abruptamente y presenta oscilaciones hasta que
se relaja a su valor de equilibrio.
El tiempo de encendido es el necesario para que el número de portadores en la
zona activa llegue a su valor umbral. Este tiempo depende de la corriente inicial y
de la corriente inyectada, siendo su valor típico entre 0,2 y 0,5 ns. Las
oscilaciones de relajación tienen una frecuencia entre 1 y 20 GHz, dependiendo
de la estructura del láser y del valor de la corriente. En décimas de ns se suele
alcanzar el estado estacionario.
El origen de estas oscilaciones es la interacción entre las poblaciones de
portadores y fotones en el interior de la cavidad, que tienen un comportamiento
resonante similar al de un circuito LCR.
Si se evita el tiempo de encendido mediante prepolarización como veremos a
continuación, la respuesta de casi todos los láseres es muy rápida, pudiendo
llegar a anchos de banda entre 1 y 40 GHz. En aquellos láseres no diseñados
para alta velocidad, el límite viene dado por los parásitos eléctricos del
encapsulado.
39
40
Nov- 05
RESPUESTA DINÁMICA DEL LÁSER (Pequeña señal)
Nov- 05
Transmisores
MODULACIÓN CON SEÑALES BINARIAS
¾ Respuesta similar a un filtro LCR: resonancia y amortiguamiento
Transmisores
¾ IOFF | ITH
¾ La frecuencia de resonancia aumenta con la corriente hasta
llegara a amortiguamiento crítico (máximo ancho de banda)
¾ ION | I(Pmax.)
Relación de extinción = POFF/ PON
41
25 Gbs NRZ
42
IEM
IEM
Al modular el láser en forma digital se aplica una corriente que varía entre un valor
IOFF y un valor ION, dando lugar a una potencia variable entre un mínimo y un
máximo. Habitualmente se aplica como IOFF un valor cercano al umbral con el fin
de evitar el tiempo de encendido a la vez que se minimiza la potencia en estado
OFF. El valor de ION se escoge para que aplique la máxima potencia a la fibra.
En la figura puede observarse un diagrama de ojo realizado por modulación
directa de un láser a 25 Gbs en formato NRZ.
41
42
Nov- 05
MODULACIÓN EN FRECUENCIA
Nov- 05
4. MODULOS TRANSMISORES
Transmisores
Transmisores
ÍNDICE
¾
Modulación en AM (intensidad) Ÿ
Modulación en FM (frecuencia óptica)
¾
Comparación de emisores
¾
Origen físico: 'i Ÿ 'n (portadores) Ÿ
'neff Ÿ 'X
¾
Acoplo fibra-láser
¾
Chirp: variación temporal en la frecuencia
óptica causada por la modulación AM
¾
Módulos láser
¾
Moduladores externos
¾
Circuitos de ataque y polarización
¾
Características V-I
¾
Encapsulados
43
IEM
44
IEM
Uno de los mayores problemas en LDs en aplicaciones de alta velocidad y alta
distancia es el fenómeno de la modulación en frecuencia que se produce al aplicar
una modulación directa en intensidad.
El origen físico de este fenómeno es la variación del índice de refracción con la
concentración de portadores, que hace que varíe a su vez la frecuencia óptica de
emisión. En el transitorio de encendido, las oscilaciones de relajación hacen que
el número de portadores varíe con el tiempo y por tanto también lo hace la
longitud de onda. Ello da lugar al denominado “chirp” del láser, ensanchamiento
promedio del espectro en conmutación. El valor del ensanchamiento depende de
un parámetro del semiconductor denominado D (“linewidth enhancement factor”),
característico de cada dispositivo.
Esta modulación de la frecuencia óptica puede ser aplicada en comunicaciones
ópticas coherentes como técnica de modulación FM; sin embargo en la mayoría
de las aplicaciones que utilizan modulación directa es un inconveniente que no
puede ser evitado. Por ello a altas velocidades (> 2,5 Gb/s) se utiliza en ocasiones
un modulador externo en lugar de modulación directa.
43
44
Nov- 05
COMPARACIÓN DE EMISORES
IEM
Nov- 05
ACOPLO LÁSER A FIBRA
Transmisores
LED
LD-FP
LD-DFB
VCSEL
Potencia en
fibra
Baja
Alta
Alta
Alta
Espectro
Ancho
Estrecho
Muy estrecho
Muy estrecho
Vel.
Modulación
Baja-media
Alta
Alta-muy alta
Alta-muy alta
Costo
Bajo
Medio
Alto
Bajo
Acoplo a
fibra
MM
SM
SM
MM
Ventanas
(para C.O.)
1ª, 2ª
2ª, 3ª
2ª, 3ª
1ª
Aplicaciones
Baja tasa
binaria -corta
distancia
Baja/media
tasa binaria baja/ media
distancia
Alta tasa
binaria / larga
distancia
WDM
Alta tasa
binaria /corta
distancia
Transmisores
Diodo Láser:
• Muy sensible a la
realimentación óptica
• Necesidad de Aisladores
Ópticos
45
46
IEM
El acoplo de la potencia emitida por el láser a una Fibra SM tiene una gran
dificultad debido a la alta divergencia de la fuente, que además es astigmática, y a
las reducidas dimensiones del diámetro de la fibra. Lleva un complicado proceso
de alineamiento y suele llevarse a cabo con diferentes tipos de lentes.
Adicionalmente, debe minimizarse la reflexión de las lentes, o de cualquier otro
punto del sistema, puesto que la emisión del láser se desestabiliza, incluso con
niveles muy pequeños de reflexión. Esto se consigue mediante el uso de
aisladores ópticos.
45
46
Nov- 05
MODULOS LÁSER
Nov- 05
Transmisores
MODULACIÓN EXTERNA
Transmisores
Vin
48
IEM
47
IEM
Existen todo tipo de módulos comerciales LED y láser incluyendo en el
encapsulado diversos accesorios además del propio emisor.
Cuando la tasa binaria de un sistema supera los 2,5 Gb/s el efecto del "chirp" en
el diodo láser da lugar a problemas de dispersión en caso de modulación directa.
Todos los láseres comerciales incluyen un fotodetector en el encapsulado que
actúa como monitor de potencia emitida. Algunos incluyen adicionalmente un
sensor de temperatura y un dispositivo tipo “Peltier” que permite variar la
temperatura mediante un controlador externo. Los módulos de altas prestaciones
pueden incluir también un aislador óptico. El acoplo a la fibra se realiza mediante
una lente, habitualmente tipo “GRIN”.
Para evitarlo suele recurrirse a un modulador externo, que permite o no el paso de
la intensidad óptica en función de una tensión externa relacionada con la señal,
manteniéndose el láser siempre encendido.
Los principales parámetros de un modulador son: lás pérdidas de inserción al
transmitir, la relación de extinción, su ancho de banda eléctrico, y el margen de
tensiones necesario para su operación.
Existen diferentes tecnologías de moduladores externos. La figura de la izquierda
muestra un modulador en óptica integrada basado en un interferómetro MachZehnder. La tensión aplicada varía el índice de refracción de la guíonda y por
tanto varía la condición de interferencia constructiva o destructiva a la salida.
La figura de la derecha muestra un modulador de semiconductor basado en
electroabsorción. En este caso el gap neto del semiconductor es variado por la
tensión externa, con lo que pasa de ser absorbente a transparente a la longitud de
onda de trabajo. Estos tienen la ventaja de poder ser integrados con el diodo
láser.
47
48
Nov- 05
Nov- 05
Transmisores
Transmisores
CARACTERÍSTICA TENSIÓN -CORRIENTE (V-I)
CIRCUITOS DE ATAQUE Y POLARIZACIÓN PARA LDs
Diodo:
30
I = I0 [exp (qV/mkT) - 1]
25
V = V0 + I Rs
20
V0 ~ Eg/q
¾
1ª ventana: V0 | 1,5 -1,7 V
¾
2ª y 3ª ventanas: V0 | 1 -1,2 V
I (mA)
¾
15
10
5
0
0
49
0.5
1
V (V)
1.5
2
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IEM
IEM
Los circuitos de ataque y polarización de los emisores (driver) suelen realizarse
externamente a su encapsulado. Su papel es realizar una conversión
tensión/corriente de la señal de modulación y añadir la polarización necesaria.
Habitualmente incluyen control automático de potencia a partir de la señal del
fotodetector asociado al láser.
Desde el punto de vista de su funcionamiento en un circuito, no debe olvidarse
que los LEDsy LDs son diodos, por lo que su característica I-V sigue la clásica ley
exponencial, y puede ser aproximada por una caída constante de tensión y una
resistencia serie.
La tensión de codo del diodo depende del gap del semiconductor, y por tanto de
su longitud de onda de emisión.
Existen gran número de “drivers” comerciales integrados monolíticamente para
diferentes velocidades de modulación.
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Nov- 05
ENCAPSULADOS/ACOPLOS
Transmisores
POF-receptacle LED
Pigtailed FP-LD
Receptacle FP-LD
Receptacle VCSEL
Pigtailed DIL DFB
Uncoupled FP-LD
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IEM
Existe una gran variedad de modelos comerciales de encapsulado, casi todos
ellos modificaciones de los habituales en transistores y CI. El acoplo a fibra puede
hacerse mediante un “pigtail”, tramo corto de fibra terminado en conector macho,
o mediante un conector de fibra hembra (receptacle)
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